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\begin{document}
\title{光~~纤~~通~~信}
\author{张首至\thanks{
B08050216，测控技术与仪器，南京邮电大学}}
\date{\today}

\maketitle

\begin{abstract}
自1980年代起，光纤通信系统对于电信工业产生了革命性的作用，同时也在数字时代里扮演非常重要的角色。光纤通信具有传输容量大，保密性好等许多优点,现在已经成为当今最主要的有线通信方式。本文则试图从光纤通信的历史、优势、应用以及发展趋势等方面进一步介绍了光纤通信。\\

{\bf 关键词} \hspace{2mm}
光纤通信~~历史~~优势~~应用~~发展趋势
\end{abstract}

\section{光纤通信的历史}
光纤通信的历史最早可以追溯到1880年贝尔发明的“光话”。他以日光为光源，大气为传输媒质，传输距离是$200m$。这标志着现代光通信的开始。他建立了自己的理论，但由于没有可靠、高强度的光源和没有稳定、低损耗的传输媒质，贝尔的“光话”始终没有走上实用化阶段。由于以上所说的两个障碍，光通信的研究一度沉寂。\\

1960年，第一台相干振荡光源——红宝石激光器问世，激起了世界性的光通信研究热潮。1962年半导体激光器的出现给实用化通信光源带来了希望。1970年，首次研究出在室温下连续工作的双异质结半导体激光器，为使用化的通信光源奠定了基础。\\

在研究光通信光源的同时，人们进行了各种光波导的研究，其中包括了光导纤维。虽然光导纤维以内部全反射限制光波的传输原理早为人知，并且已经应用在医学上。但在当时作为光导纤维材料的石英玻璃损耗很大。这个问题在早期一直没有得到解决，所以没有办法应用在作为光通信传输媒质。1966年，英国标准电信研究所的华裔科学家高锟博士发表了一篇重要的文章，提出了可以利用带有包层材料的石英玻璃光纤作为光通信的传输媒质。他还预言，通过降低材料的杂质含量和改进制造工艺，可使光纤的衰减下降到$20dB/km$，甚至更小。1970年，美国Corning玻璃有限公司果然制成了衰减为$20dB/km$的低损耗石英光纤。它的制成使人们确认光导纤维完全能胜任作为光通信的传输媒质，从而确立了光通信发展的明确目标，揭开了光纤通信发展的新篇章。\\

光纤通信经过了20年的发展，已经有四代光纤通信进入了使用。在光纤通信发展历史上另一重要里程碑是掺铒光纤放大器的出现，1986年，英国南安敦大学制作出了最初的掺铒光纤放大器。从此，我们迎来了掺铒光纤放大器的黄金时代。\\

\section{光纤通信的优势\cite{光纤通信}}
对于某个通信系统而言，使用传统的铜缆作为传输介质较好，或是使用光纤较佳，有几项考量的重点。光纤通常用于高带宽以及长距离的应用，因为其具有低损耗、高容量，以及不需要太多中继器等优点。光纤另外一项重要的优点是即使跨越长距离的数条光纤并行，光纤与光纤之间也不会产生串讯的干扰，这和传输电信号的传输线正好相反。\\

不过对于短距离与低带宽的通信应用而言，使用电信号的传输有下列好处：
\begin{itemize}
\item 较低的建置费用
\item 组装容易
\item 可以利用电力系统传递信息
\end{itemize}

因为这些好处，所以在很短的距离传输信息，例如主机之间、电路板之间，甚至是集成电路芯片之间，通常还是使用电信号传输。然而目前也有些还在实验阶段的系统已经改采光来传递信息。\\

在某些低带宽的场合，光纤通信仍然有其独特的优势：
\begin{itemize}
\item 能抵抗电磁干扰，包括核子造成的电磁脉冲。(不过光纤可能会毁于$\alpha$或$\beta$射线)
\item 对电信号的阻抗极高，所以能在高电压或是地面电位不同的状况下安全工作。
\item 重量较轻，这在飞机中特别重要。
\item 不会产生火花，在某些易燃的环境中显得重要。
\item 没有电磁辐射、不易被窃听，对于需要高度安全的系统而言十分重要。
\item 线径小，当绕线的路径被限制时，变得重要。
\end{itemize}

\section{光纤通信的应用}
光纤常被电话公司用于传递电话、互联网，或是有线电视的信号，有时候利用一条光纤就可以同时传递上述的所有信号。与传统的铜线相比，光纤的信号衰减与遭受干扰的情形都改善很多，特别是长距离以及大量传输的使用场合中，光纤的优势更为明显。然而，在城市之间利用光纤的通信基础建设通常施工难度以及材料成本难以控制，完工后的系统维运复杂度与成本也居高不下。因此，早期光纤通信系统多半应用在长途的通信需求中，这样才能让光纤的优势彻底发挥，并且抑制住不断增加的成本。\\

从2000年光通信市场崩溃后，光纤通信的成本也不断下探，目前已经和铜缆为骨干的通信系统不相上下。\\

对于光纤通信产业而言，1990年光放大器正式进入商业市场的应用后，很多超长距离的光纤通信才得以真正实现，例如越洋的海底电缆。到了2002年时，越洋海底电缆的总长已经超过25万公里，每秒能携带的数据量超过$2.56Tb$，而且根据电信业者的统计，这些数据从2002年后仍然不断的大幅成长中。\\

\section{光纤通信的趋势及展望\cite{通信博客}}
目前在光通信领域有几个发展热点即超高速传输系统、超大容量WDM系统、光传送联网技术、新一代的光纤、IPoverOptical以及光接入网技术。\\

\subsection{向超高速系统发展}
目前10Gbps系统已开始大批量装备网络，主要在北美，在欧洲、日本和澳大利亚也已开始大量应用。但是，$10Gbps$系统对于光缆极化模色散比较敏感，而已经铺设的光缆并不一定都能满足开通和使用$10Gbps$系统的要求，需要实际测试，验证合格后才能安装开通。它的比较现实的出路是转向光的复用方式。光复用方式有很多种，但目前只有波分复用(WDM)方式进入了大规模商用阶段，而其它方式尚处于试验研究阶段。\\

\subsection{向超大容量WDM系统演进}
采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽，然而光纤的$200nm$可用带宽资源仅仅利用率低于1\%，还有99\%的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一级光纤上传送，则可大大增加光纤的信息传输容量，这就是波分复用(WDM)的基本思路。基于WDM应用的巨大好处及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动，波分复用系统发展十分迅速。目前全球实际铺设的WDM系统已超过3000个，而实用化系统的最大容量已达 $320Gbps(2×16×10Gbps)$，美国朗讯公司已宣布将推出80个波长的WDM系统，其总容量可达$200Gbps(80×2.5Gbps)$或 $400Gbps(40×10Gbps)$。实验室的最高水平则已达到$2.6Tbps(13×20Gbps)$。预计不久的将来，实用化系统的容量即可达到 $1Tbps$的水平。\\

\subsection{向光联网迈进}
上述实用化的波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似 SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新一层的威力。根据这一基本思路，光光联网既可以实现超大容量光网络和网络扩展性、重构性、透明性，又允许网络的节点数和业务量的不断增长、互连任何系统和不同制式的信号。\\

由于光联网具有潜在的巨大优势，美欧日等发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预研，特别是美国国防部预研局(DARPA)资助了一系列光联网项目。光联网已经成为继SDH电联网以后的又一新的光通信发展高潮。建设一个最大透明的、高度灵活的和超大容量的国家骨干光网络，不仅可以为未来的国家信息基础设施(NJJ)奠定一个坚实的物理基础，而且也对我国下一世纪的信息产业和国民经济的腾飞以及国家的安全有极其重要的战略意义。\\

\subsection{开发新代的光纤}
传统的G.652单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势，开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。目前，为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了两种不同的新型光纤，即非零色散光(G.655光纤)和无水吸收峰光纤(全波光纤)。其中，全波光纤将是以后开发的重点，也是现在研究的热点。从长远来看，BPON技术无可争议地将是未来宽带接入技术的发展方向，但从当前技术发展、成本及应用需求的实际状况看，它距离实现广泛应用于电信接入网络这一最终目标还会有一个较长的发展过程。\\

\subsection{IPoverSDH与IpoverOptical}
以lP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力，因而能否有效地支持JP业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志。目前，ATM和 SDH均能支持lP，分别称为IPoverATM和IPoverSDH两者各有千秋。但从长远看，当IP业务量逐渐增加，需要高于2．4吉位每秒的链路容量时，则有可能最终会省掉中间的SDH层，IP直接在光路上跑，形成十分简单统一的IP网结构(IPoverOptical)。三种IP传送技术都将在电信网发展的不同时期和网络的不同部分发挥自己应有的历史作用。但从面向未来的视角看。IPoverOptical将是最具长远生命力的技术。特别是随着 IP业务逐渐成为网络的主导业务后，这种对JP业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干网的主导传送技术。\\

\subsection{解决全网瓶颈的手段——光接入网}
近几年，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换，还是传输都己更新了好几代。不久，网络的这一部分将成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能化的网络，而另一方面，现存的接入网仍然是被双绞线铜线主宰的(90％以上)、原始落后的模拟系统。两者在技术上存在巨大的反差，制约全网的进一步发展。为了能从根本上彻底解决这一问题，必须大力发展光接入网技术。因为光接入网有以下几个优点：
\begin{itemize}
\item 减少维护管理费用和故障率
\item 配合本地网络结构的调整，减少节点，扩大覆盖
\item 充分利用光纤化所带来的一系列好处
\item 建设透明光网络，迎接多媒体时代
\end{itemize}

\section{结束语}
任何一项技术的发展必然会与人类的生活相适应，光纤通信的发展必然如此。我们有信心看到将来更强大的光纤通信。当然我国的光纤通信技术还需要我们进一步发展和研究。

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\end{document}
